Over the course of the last century, humans have witnessed drastic levels of global environmental change that endangered both, the survival of single species as well as biodiversity itself. This includes climate change, in both environmental means and in variance and subsequently frequent extreme weather events, as well as land use change that species have to cope with. With increasing urbanization, increasing agricultural area and increasing intensification, natural habitat is not only lost, but also changes its shape and distribution in the landscape. Both aspects can heavily influence an individual's fitness and therefore act as a selective force promoting evolutionary change. This way climate change influences individuals' niches and dispersal. Local adaptation and dispersal are not independent of each other. Dispersal can have two opposite effects on local adaptation. It can oppose local adaptation, by promoting the immigration of maladapted indi- viduals or favor local adaptation by introducing better adapted genotypes. Which of those effects of dispersal on local adaptation emerges in a population depends on the dispersal strategies and the spatial structure of the landscape. In principle an adaptive response can include adjustment of the niche optimum as well as habitat tolerance (niche width) or (instead) ecological tracking of adequate conditions by dispersal and range shifting. So far, there has been no extensive modeling study of the evolution of the environmental niche optimum and tolerance along with dispersal probability in complex landscapes. Either only dispersal or (part of ) the environmental niche can evolve or the landscapes used are not realistic but rather a very abstract representation of spatial structures. I want to try and disentangle those different effects of both local adaptation and dispersal during global change, as well as their interaction, especially considering the separation between the effects of increasing mean and increasing variance. For this, I implemented an individual based model (IBM), with escalating complexity. I showed that both on a temporal as well as on a spatial scale, variation can be more influential then mean conditions. Indeed, the actual spatial configuration of this heterogeneity and the relationship between spatial and temporal heterogeneity affect the evolution of the niche and of dispersal probability more than temporal or spatial mean conditions. I could show that in isolated populations, an increase of an environmental attribute's mean or variance can lead to extinction, under certain conditions. In particular, increasing variance cannot be tracked forever, since increasing tolerance has distinct limits of feasibility. Increasing mean conditions can also occur too fast to be tracked, especially from generalist individuals. When expanding the model to the metapopulation level without a temporal environmental trend, the degree of spatial vs.temporal heterogeneity influenced the evolution of random dispersal heavily. With increasing spatial heterogeneity, individuals from extreme and rare patches evolve from being philopatric to dispersive, while individuals from average patches switch in the opposite direction. With the last expansion to a different set of landscapes with varying degrees of edge density, I could show that edge effects are strong in pseudo-agricultural landscapes, while in pseudo-natural habitats they were hardly found, regardless of emigration strategy. Sharp edges select against dispersal in the edge patches and could potentially further isolate populations in agricultural landscapes. The work I present here can also be expanded further and I present several suggestions on what to do next. These expansions could help the realism of the model and eventually shed light on its bearing on ecological global change predictions. For example species distribution models or extinction risk models would be more precise, if they included both spatial and temporal variation. The current modeling practices might not be suffcient to describe the possible outcomes of global change, because spatio-temporal heterogeneity and its influence on species' niches is too important to be ignored for longer. / Mögliche evolutionäre Reaktionen auf Landschaftsheterogenität und systemische Umwelttrends

Chlamydia trachomatis, an obligate intracellular human pathogen, is the world’s leading cause of infection related blindness and the most common, bacterial sexually transmitted disease. In order to establish an optimal replicative niche, the pathogen extensively interferes with the physiology of the host cell. Chlamydia switches in its complex developmental cycle between the infectious non-replicative elementary bodies (EBs) and the non-infectious replicative reticulate bodies (RBs). The transformation to RBs, shortly after entering a host cell, is a crucial process in infection to start chlamydial replication. Currently it is unknown how the transition from EBs to RBs is initiated. In this thesis, we could show that, in an axenic media approach, L glutamine uptake by the pathogen is crucial to initiate the EB to RB transition. L-glutamine is converted to amino acids which are used by the bacteria to synthesize peptidoglycan. Peptidoglycan inturn is believed to function in separating dividing Chlamydia. The glutamine metabolism is reprogrammed in infected cells in a c-Myc-dependent manner, in order to accomplish the increased requirement for L-glutamine. Upon a chlamydial infection, the proto-oncogene c-Myc gets upregulated to promote host cell glutaminolysis via glutaminase GLS1 and the L-glutamine transporter SLC1A5/ASCT2. Interference with this metabolic reprogramming leads to limited growth of C. trachomatis. Besides the active infection, Chlamydia can persist over a long period of time within the host cell whereby chronic and recurrent infections establish. C. trachomatis acquire a persistent state during an immune attack in response to elevated interferon-γ (IFN-γ) levels. It has been shown that IFN-γ activates the catabolic depletion of L-tryptophan via indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO), resulting in the formation of non-infectious atypical chlamydial forms. In this thesis, we could show that IFN-γ depletes the key metabolic regulator c-Myc, which has been demonstrated to be a prerequisite for chlamydial development and growth, in a STAT1-dependent manner. Moreover, metabolic analyses revealed that the pathogen de routs the host cell TCA cycle to enrich pyrimidine biosynthesis. Supplementing pyrimidines or a-ketoglutarate helps the bacteria to partially overcome the persistent state. Together, the results indicate a central role of c-Myc induced host glutamine metabolism reprogramming and L-glutamine for the development of C. trachomatis, which may provide a basis for anti-infectious strategies. Furthermore, they challenge the longstanding hypothesis of L-tryptophan shortage as the sole reason for IFN-γ induced persistence and suggest a pivotal role of c-Myc in the control of the C. trachomatis dormancy. / Chlamydia trachomatis, ein obligat intrazellul¨ares humanes Pathogen, ist weltweit fu¨hrende Ursache fu¨r infektionsbedingte Erblindung und die h¨aufigste, bakterielle sexuell u¨bertragbare Krankheit. Um eine optimale Replikationsnische zu etablieren, interagiert das Pathogen in tensiv mit der Physiologie der Wirtszelle. Chlamydien wechseln in ihrem komplexen Entwick lungszyklus zwischen den infekti¨osen nicht replizierenden Elementark¨orperchen (EBs) und den nicht infekti¨osen replizierenden Retikulark¨orperchen (RBs), und diese Umwandlung in RBs kurz nach dem Eintritt in die Wirtszelle ist ein entscheidender Prozess in der Infektion, um die Replikation des Bakteriums einzuleiten. Derzeit ist noch nicht bekannt, wodurch diese Transformation von EBs zu RBs eingeleitet wird. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass bei einer zellfreien Kultivierung des Pathogens die Aufnahme von Glutamin durch den Erreger entscheidend ist, um den ¨Ubergang von EB zu RB zu initiieren. Vor kurzem wurde Peptidoglykan in den Septen von sich replizierenden Chlamydien nachgewiesen. Fu¨r die Syn these des Peptidoglykans nutzen die Bakterien das aufgenommene Glutamin. Der Glutamin metabolismus wird in infizierten Zellen c-Myc abh¨angig umprogrammiert, um den erh¨ohten Bedarf an Glutamin zu bew¨altigen. Bei einer Chlamydieninfektion wird das Proto-Onkogen c-Myc zur F¨orderung der Glutaminolyse der Wirtszelle u¨ber die Glutaminase GLS1 und den Glutamin Transporter SLC1A5/ASCT2 hochreguliert. Ein Eingreifen in diese metabolische Neuprogrammierung fu¨hrt zu einem reduzierten Wachstum von C. trachomatis. Neben der aktiven Infektion k¨onnen Chlamydien u¨ber einen sehr langen Zeitraum in der Wirtszelle persistieren, wodurch es zur Etablierung von chronischen und wiederkehrenden Infektionen kommt. C. trachomatis verf¨allt bei einem Immunangriff in Persistenz, wenn sie auf das freigesetzte Interferon-γ treffen. Es ist bekannt, dass Interferon-γ den Katabolismus von Tryptophan mittels indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) aktiviert, was zur Bildung von nicht infekti¨osen atypischen Chlamydienformen fu¨hrt. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Interferon-γ den zentralen Stoffwechselregulator c-Myc, der sich fu¨r die Entwicklung und das Wachstum von Chlamydien als essentiell erwiesen hat, in Abh¨angigkeit von STAT1 herunter reguliert. Daru¨ber hinaus zeigte die Analyse des Metabolismus, dass das Pathogen den TCA Zyklus der Wirtszelle umleitet, um die Pyrimidinbiosynthese zu unterstu¨tzen. Die Zugabe von Pyrimidinen oder α-Ketoglutarat hilft den Bakterien den Status der Persistenz teilweise zu u¨berwinden. Zusammengenommen deuten die Ergebnisse auf eine zentrale Rolle der c-Myc induzierten Umprogrammierung des Glutaminmetabolismus und des Glutamins selbst fu¨r die Entwicklung von C. trachomatis hin. Diese Befunde k¨onnten eine Basis fu¨r Strategien gegen eine Infektion darstellen. Weiterhin stellen sie die seit langem bestehende Hypothese des Trypotphanmangels als alleiniger Grund fu¨r die von Interferon-γ induzierte Persistenz in Frage und legen eine zentrale Rolle von c-Myc bei der Kontrolle der C. trachomatis Dormanz nahe.

Neisseria gonorrhoeae (GC) is a human specific pathogenic bacterium. Currently, N. gonorrhoeae developed resistance to virtually all the available antibiotics used for treatment. N. gonorrhoeae starts infection by colonizing the cell surface, followed by invasion of the host cell, intracellular persistence, transcytosis and exit into the subepithelial space. Subepithelial bacteria can reach the bloodstream and disseminate to other tissues causing systemic infections, which leads to serious conditions such as arthritis and pneumonia. A number of studies have well established the host-pathogen interactions during the initial adherence and invasion steps. However, the mechanism of intracellular survival and traversal is poorly understood so far. Hence, identification of novel bacterial virulence factors and host factors involved in the host-pathogen interaction is a crucial step in understanding disease development and uncovering novel therapeutic approaches. Besides, most of the previous studies about N. gonorrhoeae were performed in the conventional cell culture. Although they have provided insights into host-pathogen interactions, much information about the native infection microenvironment, such as cell polarization and barrier function, is still missing. This work focused on determining the function of novel bacterial virulence factor NGFG_01605 and host factor (FLCN) in gonococcal infection. NGFG_01605 was identified by Tn5 transposon library screening. It is a putative U32 protease. Unlike other proteins in this family, it is not secreted and has no ex vivo protease activity. NGFG_01605 knockout decreases gonococcal survival in the epithelial cell. 3D models based on T84 cell was developed for the bacterial transmigration assay. NGFG_01605 knockout does not affect gonococcal transmigration. The novel host factor FLCN was identified by shRNA library screening in search for factors that affected gonococcal adherence and/or internalization. We discovered that FLCN did not affect N. gonorrhoeae adherence and invasion but was essential for bacterial survival. Since programmed cell death is a host defence mechanism against intracellular pathogens, we further explored apoptosis and autophagy upon gonococcal infection and determined that FLCN did not affect apoptosis but inhibited autophagy. Moreover, we found that FLCN inhibited the expression of E-cadherin. Knockdown of E- cadherin decreased the autophagy flux and supported N. gonorrhoeae survival. Both non-polarized and polarized cells are present in the cervix, and additionally, E-cadherin represents different polarization properties on these different cells. Therefore, we established 3-D models to better understand the functions of FLCN. We discovered that FLCN was critical for N. gonorrhoeae survival in the 3-D environment as well, but not through inhibiting autophagy. Furthermore, FLCN inhibits the E-cadherin expression and disturbs its polarization in the 3-D models. Since N. gonorrhoeae can cross the epithelial cell barriers through both cell-cell junctions and transcellular migration, we further explored the roles FLCN and E-cadherin played in transmigration. FLCN delayed N. gonorrhoeae transmigration, whereas the knockdown of E-cadherin increased N. gonorrhoeae transmigration. In summary, we revealed roles of the NGFG_01605 and FLCN-E-cadherin axis play in N. gonorrhoeae infection, particularly in relation to intracellular survival and transmigration. This is also the first study that connects FLCN and human-specific pathogen infection. / Neisseria gonorrhoeae (GC) ist ein humanpathogenes Bakterium. Gegen jedes kommerziell erhältliche Antibiotikum konnten bereits Resistenzen entdeckt werden. Die Infektion von Neisserien startet mit der Kolonisierung der Zelloberfläche, gefolgt von der Invasion in die Zelle, intrazellulärer Persistenz, Transzytose und Verlassen des subepithelen Raums. Subepithele Bakterien können den Blutfluss erreichen und sich somit auf andere Gewebe verbreiten und dadurch schwerwiegende Erkrankungen wie Arthritis und Lungenentzündungen verursachen. Zahlreiche Studien haben die Interaktion zwischen Wirtszelle und Pathogen zwischen Adhärenz und Invasion gut charakterisiert. Allerdings ist der Mechanismus des intrazellulären Überlebens und der Transmigration weitestgehend unbekannt. Um neue therapeutische Ansätze zu definieren ist es deshalb wichtig weitere bakterielle und zelluläre Faktoren verantwortlich für Interaktionen zwischen Wirt und Pathogen zu identifizieren. Außerdem wurden Studien über N. gonorrhoeae bisher in konventioneller Zellkultur durchgeführt. Auch wenn diese weitere Einsichten in Wirt-Pathogen Interaktionen geben, ist viel Information in der nativen Infektionsumgebung, wie Zellpolarisierung oder Barrierefunktionen, bisher nicht bekannt. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Bestimmung eines neuen bakteriellen Virulenzfaktors, NGFG_01605, und Wirtsfaktoren (FLCN) in der Infektion von Gonokokken. NGFG_01605 wurde über Screening einer Transposonsammlung identifiziert und ist eine vermeintliche U32 Protease. Im Gegensatz zu anderen Proteinen dieser Familie, wird diese Protease nicht sekretiert und hat keine ex vivo Proteaseaktivität. Der Knockout von NGFG_01605 vermindert die Überlebensrate von Gonokokken in Epithelzellen. 3D-Modelle basierend auf T84-Zellen wurden für die Analyse der bakteriellen Transmigration entwickelt. Der Knockout von NGFG_01605 hat keinen Einfluss auf die Transmigration. Bei der Suche neuer Wirtsfaktoren, die für die Adhärenz und/oder Internalisierung wichtig sind, wurde FLCN durch ein Screening einer shRNA Sammlung entdeckt. Wir konnten zeigen, dass dieser Faktor zwar nicht für die Adhärenz oder Invasion von N. gonorrhoeae, aber für das Überleben der Bakterien in der Wirtszelle essenziell ist. Da der programmierte Zelltod ein typischer Abwehrmechanismus gegen intrazelluläre Bakterien ist, haben wir Apoptose und Autophagie weiter untersucht und konnten zeigen, dass FLCN zwar keinen Effekt auf Apoptose hat, aber Autophagie inhibiert. Außerdem konnten wir zeigen, dass FLCN die Expression von E-cadherin inhibiert. Auch der Knockdown von E-cadherin verringerte Autophagie und erhöhte das Überleben von N. gonorrhoeae. Im Gebärmutterhals sind sowohl polarisierte als auch nicht-polarisierte Zellen präsent. E-cadherin hat zudem unterschiedliche Einflüsse auf diese unterschiedlichen Zellen. Aus diesem Grund haben wir ein 3D-Modell entwickelt, um die Funktionen von FLCN besser zu verstehen. Wir entdeckten, dass FLCN zwar auch im 3D Modell wichtig für das Überleben ist, aber nicht durch Inhibition von Autophagie. Außerdem inhibiert FLCN die Expression und Verteilung von E-cadherin in 3D-Modellen. Da N. gonorrhoeae die Epithelzellbarierre durch sowohl Zell-Zell-Kontakte als auch transzelluläre Migration überwinden kann, untersuchten wir daraufhin die Rollen von FLCN und E-cadherin in der transzellulären Migration. Diese wird durch FLCN verspätet und durch Knockdown von E-cadherin erhöht. Zusammengefasst, haben wir die Rolle von NGFG_01605 und den Zusammenhang von FLCN und E-cadherin während der Infektion von N. gonorrhoeae untersucht. Unser Fokus war hierbei das intrazelluläre Überleben sowie zelluläre Transmigration. Diese Arbeit ist die Erste, die FLCN und humanpathogenspezifische Infektion miteinander in Verbindung bringt.

G protein coupled receptor kinases (GRK) phosphorylate and thereby desensitize G protein coupled receptors (GPCR) including β-adrenergic receptors (βAR), which are critical regulators of cardiac function. We identified the Raf kinase inhibitor protein (RKIP) as an endogenous inhibitor of GRK2 that leads to increased cardiac contractility via βAR activation. RKIP binds to the N-terminus (aa1-185) of GRK2, which is important for the GRK2/receptor interaction. Thereby it interferes with the GRK2/receptor interaction without interference with cytosolic GRK2 target activation. In this project, the RKIP/GRK interface was investigated to develop strategies that simulate the effects of RKIP on βAR. RKIP binding to different isoforms of GRK expressed in the heart was analyzed by protein interaction assays using full-length and N-termini of GRK2, GRK3 and GRK5: 1-53, 54-185 and 1-185. Co-immunoprecipitation (Co-IPs) and pull-down assays revealed that RKIP binds to the peptides of GRK2 and GRK3 but not to the ones of GRK5, which suggests the existence of several binding sites of RKIP within the N-termini of GRK2 and GRK3. To analyze whether the peptides of GRK2 and GRK3 are able to simulate the RKIP mediated interference of the GRK2/receptor interaction, we analyzed the β2-AR phosphorylation in the absence and presence of the peptides. Interestingly, N-termini (aa1-185) of GRK2 and GRK3 reduced β2AR phosphorylation to a comparable extent as RKIP. In line with reduced receptor phosphorylation, the peptides also reduced isoproterenol-stimulated receptor internalization as shown by [3H] CGP-12177 radioligand binding assay and fluorescence microscopy compared to control cells. Subsequently, these peptides increased downstream signaling of β2AR, i.e. the phosphorylation of the PKA substrate phosducin. In an attempt to elucidate the mechanism behind the observed effects, Co-IPs were performed in order to investigate whether the peptides bind directly to the β2-AR and block its phosphorylation by GRK2. Indeed, GRK2 1-185 and GRK3 1-185 could bind the receptor, suggesting that this way GRK2 is prevented from inhibiting the receptor. To investigate the physiological effect of GRK2 1-185, GRK3 1-185 and GRK5 1-185, their effect on neonatal mouse cardiomyocyte contractility and hypertrophy was analyzed. After long-term isoproterenol stimulation, in the presence of GRK2 1 185 and GRK3 1-185 the cross-sectional area of the cardiomyocytes showed no significant increase in comparison to the unstimulated control cells. In addition, upon isoproterenol stimulation, GRK2 1-185 and GRK3 1-185 increased the beat rate in cardiomyocytes, mimicking RKIP while the base impedance, an indicator of viability, remained stable. The N-termini (1-185) of GRK2 and GRK3 simulated RKIP’s function and had a significant influence on β2AR phosphorylation, on its downstream signaling and internalization, could bind β2-AR, increased beat rate and did not significantly induce hypertrophy, suggesting that they may serve as a model for the generation of new and more specific targeting strategies for GRK mediated receptor regulation. / G-Protein gekoppelte Rezeptorkinasen (GRK) phosphorylieren und desensitisieren G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCR), einschließlich β-adrenerge Rezeptoren (βAR), welche wichtige Regulatoren der Herzfunktion sind. Raf Kinase Inhibitor Protein (RKIP) ist ein endogener Inhibitor von GRK2, der zur Aktivierung von βAR führt und dadurch zur Steigerung der Herzkontraktilität. RKIP bindet N-terminal (1-185) an GRK2; der GRK2 N-Terminus ist wichtig für die GRK2/Rezeptor Interaktion. Durch diese Bindung wird GRK2 inhibiert und derer Interaktion mit den Rezeptor gestört, allerdings bleiben die zytosolische GRK2 Substrate unbeeinflusst. In diesem Projekt wurde die Interaktion zwischen RKIP und GRK untersucht, um neue Targeting Strategien zu entwickeln, die die positiven Effekte von RKIP auf βAR Signalwege simulieren. Die Bindung von RKIP an verschiedene, im Herzen lokalisierte GRK-Isoformen wurde über protein interaction assays untersucht: mit GRK2, GRK3 und GRK5 und mit deren N-terminalen Peptiden 1-53, 54-185, 1-185. Die Co-Immunopräzipitationen (Co-IPs) und die pull-down Versuche haben gezeigt, dass RKIP sowohl GRK2 und GRK3 als auch deren N-Termini bindet, GRK5 und dessen N-termini hingegen nicht. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass sich mehrere RKIP Bindungsstellen an dem GRK2 N-Terminus befinden. Um zu analysieren, ob die GRK2- und GRK3-Peptide eine ähnliche Wirkung wie RKIP auf die Interaktion von GRK2 und Rezeptor aufweisen, wurde die Rezeptorphosphorylierung ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass GRK2 1-185 und GRK3 1-185 die Phosphorylierung des βAR reduzieren können. Radioligandbindungsassays mit [3H] CGP-12177 und Fluoreszenzmikroskopie zeigten zudem, dass GRK2 1-185 und GRK3 1-185 auch die Internalisierungsrate des βAR senken können. Anschließend hatten GRK2 1-185 und GRK3 1-185 einen positiven Effekt auf einem βAR downstream Signalmolekül. Hierbei handelte es sich um die Phosphorylierung von Phosducin, was ein PKA-Substrat ist. Um die Wirkungsweise der N-termini zu erläutern, wurde untersucht, ob diese direkt den β2AR binden und somit die GRK2 vermittelte Phosphorylierung hindern. Interessanterweise konnte gezeigt werden, dass GRK2 1-185 und GRK3 1- 185 den β2AR binden und dementsprechend einen Einfluss auf die Phosphorylierung haben. Des Weiteren, wurden die Effekte der Peptide auf Kontraktilität und Hypertrophie in neonatalen Mauskardiomyozyten analysiert. In Anwesenheit von GRK2 1-185 und GRK3 1-185 war die Querschnittsfläche der Mauskardiomyozyten nicht signifikant größer im Vergleich zu den unstimulierten Kontrollzellen. Außerdem wurde eine signifikante Erhöhung der Kontraktilität in den Mauskardiomyozyten mit GRK2 1-185 und GRK3 1-185 beobachtet. Insgesamt, konnten GRK2 1-185 und GRK3 1-185 RKIPs Funktion simulieren: sie hatten einen signifikanten Effekt auf β2AR-Phosphorylierung, Internalisierung und downstream Signaling. Zudem konnten sie die Kontraktilität erhöhen und hatten keinen Einfluss auf Hypertrophie. Somit könnten sie als Prototyp für die Entwicklung neuer Targeting Strategien für die GRK-vermittelte Rezeptor Regulation, genutzt werden.

Chlamydia infect millions worldwide and cause infertility and blinding trachoma. Chlamydia trachomatis (C. trachomatis) is an obligate intracellular gram-negative pathogen with a significantly reduced genome. This bacterium shares a unique biphasic lifecycle in which it alternates between the infectious, metabolically inert elementary bodies (EB) and the non-infections, metabolically active replicative reticular bodies (RB). One of the challenges of working with Chlamydia is its difficult genetic accessibility. In the present work, the high-throughput method TagRNA-seq was used to differentially label transcriptional start sites (TSS) and processing sites (PSS) to gain new insights into the transcriptional landscape of C. trachomatis in a coverage that has never been achieved before. Altogether, 679 TSSs and 1067 PSSs were detected indicating its high transcriptional activity and the need for transcriptional regulation. Furthermore, the analysis of the data revealed potentially new non-coding ribonucleic acids (ncRNA) and a map of transcriptional processing events. Using the upstream sequences, the previously identified σ66 binding motif was detected. In addition, Grad-seq for C. trachomatis was established to obtain a global interactome of the RNAs and proteins of this intracellular organism. The Grad-Seq data suggest that many of the newly annotated RNAs from the TagRNA-seq approach are present in complexes. Although Chlamydia lack the known RNA-binding proteins (RBPs), e.g. Hfq and ProQ, observations in this work reveal the presence of a previously unknown RBP. Interestingly, in the gradient analysis it was found that the σ66 factor forms a complex with the RNA polymerase (RNAP). On the other hand, the σ28 factor is unbound. This is in line with results from previous studies showing that most of the genes are under control of σ66. The ncRNA IhtA is known to function via direct base pairing to its target RNA of HctB, and by doing so is influencing the chromatin condensation in Chlamydia. This study confirmed that lhtA is in no complex. On the other hand, the ncRNA ctrR0332 was found to interact with the SNF2 protein ctl0077, a putative helicase. Both molecules co-sedimented in the gradient and were intact after an aptamer-based RNA pull-down. The SWI2/SNF2 class of proteins are nucleosome remodeling complexes. The prokaryotic RapA from E. coli functions as transcription regulator by stimulating the RNAP recycling. This view might imply that the small ncRNA (sRNA) ctrR0332 is part of the global regulation network in C. trachomatis controlling the transition between EBs and RBs via interaction with the SNF2 protein ctl0077. The present work is the first study describing a global interactome of RNAs and proteins in C. trachomatis providing the basis for future interaction studies in the field of this pathogen. / Chlamydien verursachen jährlich Millionen Neuinfektionen weltweit und können zu Spätschäden wie Unfruchtbarkeit und Erblindung führen. Chlamydien sind obligat intrazelluläre, gram-negative Pathogene mit einem stark reduzierten Genom. Sie besitzen einen einzigartigen biphasischen Lebenszyklus, bei dem der Erreger zwischen den metabolisch inaktiven, infektiösen Elementarkörperchen (EBs) und den nicht infektiösen, metabolisch aktiven und replikativen Retikularkörperchen (RBs) alterniert. Eine Problemantik beim Arbeiten mit Chlamydien ist die Schwierigkeit der gezielten genetischen Manipulation des Pathogens. In der vorliegenden Arbeit wurde die Hochdurchsatz-Sequenziermethode TagRNA-Seq genutzt, um die transkriptionelle Organisation von Chlamydia trachomatis (C. trachomatis) zu analysieren und besser zu verstehen. Transkriptionelle Start Stellen (TSS) und Prozessierungsstellen (PSS) werden dabei unterschiedlich markiert, sodass eine zuverlässigere und genauere Auflösung erreicht wird als bisher durch in anderen Studien verwendete Methoden. Insgesamt konnten so 679 TSSs und 1067 PSSs detektiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass das Transkriptom von C. trachomatis weitaus aktiver ist als bisher angenommen und eine Regulation auf transkriptioneller Ebene bedarf. Die Methode erlaubte zudem die Identifizierung von potenziell neuen nicht-kodierende RNAs sowie die Kartierung von transkriptionellen Prozessierungsereignissen. Unter Verwendung der 5’-upstreamliegenden Sequenzen konnte außerdem das in anderen Bakterien bereits bekannte σ66-Bindemotiv detektiert werden. In der vorliegenden Arbeit wurde zudem die Methode Grad-Seq in C. trachomatis etabliert, um ein globales Interaktom für RNAs (engl. ribonucleic acid) und Proteine des intrazellulären Organismus zu erstellen. Für viele der im TagRNA-Seq Ansatz identifizierten und neu annotierten RNAs konnte so eine Komplexbildung beobachtet werden. Dies deutet auf das Vorhandensein eines bislang unbekanntes RNA-Bindeprotein (RBP) hin, da Chlamydien keines der bekannten RBPs, z.B. Hfq oder ProQ, besitzen. Die Gradienten-Analyse ergab, dass der σ66-Faktor in einem Komplex mit der RNA-Polymerase (RNAP) vorliegt und dass der σ28-Faktor ungebunden ist. Diese Beobachtung entspricht den Ergebnissen vorheriger Studien, die zeigten das die meisten Gene durch σ66 kontrolliert werden. Die Daten bestätigen außerdem, dass IhtA, eine ncRNA (engl. non-coding ribonucleic acid), die über direkte Basenpaarbindung mit ihrem Ziel-RNA von hctB interagiert, nicht in einem Komplex vorliegt. Für die ncRNA ctrR0332 hingegen konnte das SNF2-Protein ctl0077 als Interaktionspartner identifiziert werden. Beide Moleküle co-sedimentieren im Gradienten und konnten mittels eines Aptamer-basierenden RNA Pull-Downs in intakter Form isoliert werden. Die Klasse der SWI2/SNF2-Proteine gehört zu den Nukleosomen-Remodeling-Komplexen. In Prokaryoten konnte für das in E. coli vorkommende RapA, welches ebenfalls zu den SWI2/SNF2-Proteinen zählt, die Funktion eines Transkriptionsregulators nachgewiesen werden, indem die RNAP-Wiederverwertung stimuliert wird. Dies könnte bedeuten, dass die ncRNA ctrR0332 ebenfalls Teil eines globalen Regulationsnetzwerks ist, welches durch Interaktion mit dem SNF2-Protein ctl0077 die Transition zwischen dem RB- und EB-Stadium reguliert. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmals ein globales Interaktom von RNAs und Proteinen in C. trachomatis erstellt werden, welches als Grundlage für zukünftige Interaktionsstudien des Pathogens genutzt werden kann.

Gastrointestinal infections account for high morbidity and mortality in humans every year across the globe. The increasing emergence of antibiotic resistance among the gastrointestinal pathogens and the induction of virulence factors by antibiotics makes it highly risky to only depend on antibiotic therapy for intestinal infections. Most of these infections are associated with an imbalance in the gut microbial population whereas the restoration of the balance with probiotic supplements can result in an improvement of the health condition. Probiotics are therefore considered as successful support in the treatment of gastrointestinal infections. E. coli Nissle 1917 (EcN) is the active component of the probiotic medication Mutaflor® and has been used in the treatment of various gastrointestinal disorders for more than 100 years. Several studies have reported antagonistic effects of EcN against enterohemorrhagic E. coli (EHEC) in vitro and in vivo. However, detailed investigations on the probiotic mechanisms and safety aspects of EcN are a pre-requisite, for administering EcN to treat EHEC infected patients or to use EcN as a prophylactic for the patient’s close contacts. In this regard, the first part of the study aimed to understand the nature and behaviour of EcN in the presence of pathogenic or non-pathogenic E. coli strains. Transcriptomic analysis was deployed to this end. We investigated the changes in EcN’s transcriptome after different time points of coculture with the EHEC strain EDL933 or the K-12 strain MG1655. The transcriptome data reported a strain-specific response in EcN at all the investigated time points (3 h, 5 h, 7 h and 8 h) of coincubation. The alterations in gene regulation of EcN were highly pronounced in initial timepoints (3 h and 5 h) of coincubation with EDL933, which gradually decreased over time. In the presence of MG1655, the alterations were strongly differentially regulated only at later time points (7 h and 8 h). The unique transcriptional response of EcN towards two different E. coli strains, that are genetically more than 98 % identical, was startling. 12 More importantly, this can be considered as a beneficial trait of EcN over a chemical-pharmaceutical preparation like an antibiotic that might act identically on all target cells. Bacteriophages are one of the most abundant members of gut microbiota. On the one hand, the infection of a probiotic strain by a lysogenic phage could transfer genetic material coding for pathogenic factors or antibiotic resistance into an otherwise beneficial probiotic bacterium and thereby converting it into a virulent pathogenic bacterium. On the other hand, infection by a lytic phage could result in bacterial lysis and prevent the bacterium from exerting its probiotic effect. Thus, in order to successfully establish and colonise the gut, it is crucial for any probiotic to be resistant against phage infections. To address this, in the second part of the study, we investigated the phage resistance of EcN towards the lysogenic lambda and the lytic T4 phage. EcN showed complete resistance against tested phages and was also able to inactivate these phages upon coincubation. In the case of lambda phages, the resistance was attributed to the presence of a lambdoid prophage (prophage 3) in the genome of EcN. In addition, the overexpression of one of the early genes of EcN’s prophage 3 (i.e. phage repressor gene pr) in the phage sensitive MG1655 conferred partial protection against lambda phage infection. Moreover, the inactivation was mediated by binding of lambda phages to its receptor LamB. Experiments with lytic T4 phages revealed that the EcN’s K5 polysaccharide capsule was crucial for its T4 phage resistance, while its lipopolysaccharide (LPS) inactivated the T4 phages. Apart from protecting itself, EcN displayed even a protective role for the tested K-12 strains, by interfering with the lysogeny and lysis by these phages. In summary, this work highlights two novel positive traits of the probiotic strain EcN: i) the strain-specific response that was evident from the global transcriptome analysis of EcN when incubated with other E. coli strains, and ii) lytic and lysogenic phage resistance. Both these traits are additional safety aspects for a well-characterised probiotic strain and encourage its application in therapeutics. / Gastrointestinale Infektionen sind jedes Jahr weltweit für eine hohe Morbidität und Mortalität beim Menschen verantwortlich. Das zunehmende Auftreten von Antibiotikaresistenzen bei gastrointestinalen Pathogenen und die Induktion von Virulenzfaktoren durch Antibiotika machen es hoch riskant Darminfektionen ausschließlich mit Antibiotika zu behandeln. Die meisten gastrointestinalen Infektionen sind mit einem Ungleichgewicht in der mikrobiellen Darmpopulation verbunden, während die Wiederherstellung des Gleichgewichts mit Probiotika zu einer Verbesserung des Gesundheitszustands führen kann. Daher gelten Probiotika als hilfreiche Unterstützung bei der Behandlung von Magen-Darm-Infektionen. E. coli Nissle 1917 (EcN) ist der aktive Bestandteil des probiotischen Medikaments Mutaflor® und wird seit mehr als 100 Jahren zur Behandlung verschiedener gastrointestinaler Erkrankungen eingesetzt. Mehrere Studien haben über die antagonistische Wirkung von EcN gegenüber enterohämorrhagischer E. coli (EHEC) sowohl in vitro als auch in vivo berichtet. Detaillierte Untersuchungen zu den probiotischen Mechanismen und Sicherheitsaspekten von EcN sind jedoch Voraussetzung für eine mögliche Verabreichung von EcN zur Behandlung von EHEC-infizierten Patienten oder für die Verwendung von EcN als Prophylaxe für den engsten Umkreis der infizierten Patienten. In dieser Hinsicht zielte der erste Teil dieser Studie darauf ab, die Natur und das Verhalten von EcN in Gegenwart von pathogenen oder nicht-pathogenen Bakterienstämmen zu verstehen. Zu diesem Zweck wurden die Veränderungen im Transkriptom von EcN nach verschiedenen Zeitpunkten der Co-Kultur mit dem EHEC-Stamm EDL933 oder dem K-12 Stamm MG1655 untersucht. Die Transkriptomdaten zeigten eine stammspezifische Reaktion von EcN zu allen untersuchten Zeitpunkten (3 h, 5 h, 7 h und 8 h) der Co-Inkubation. Die Veränderungen in der Genregulation von EcN waren zu den primären Zeitpunkten der Co-Kultur mit EDL933 (3 h und 5 h) sehr ausgeprägt und nahmen im Laufe der Zeit allmählich ab. Während der Co-Kultur mit MG1655 hingegen, kam es erst zu späteren Zeitpunkten zu einer starken Veränderung in der Genregulation (7 h und 8 h). Diese einzigartige transkriptionelle Reaktion von EcN auf zwei verschiedene E. coli Stämme, die genetisch zu mehr als 98 % identisch sind, war verblüffend. Diese Eigenschaft von EcN kann als vorteilhaft gegenüber einem chemisch-pharmazeutischen Präparat wie einem Antibiotikum angesehen werden, welches auf alle Zielzellen identisch wirken könnte. Bakteriophagen sind einer der häufigsten Bestandteile der Darm Mikrobiota. Durch die Infektion eines probiotischen Stammes mit einem lysogenen Phagen ist es möglich, dass genetisches Material, das für pathogene Faktoren oder Antibiotikaresistenzen kodiert, übertragen wird und das Probiotikum dadurch zu einem virulent pathogenen Bakterium umgewandelt wird. Darüber hinaus könnte die Infektion durch einen lytischen Phagen zur Lyse des Probiotikums führen wodurch seine probiotische Wirkung unterbunden werden würde. Für eine erfolgreiche Besiedlung des Darms ist es daher für Probiotika entscheidend gegenüber Phagen Infektionen resistent zu sein. Um dieses Problem anzugehen, wurde im zweiten Teil der Studie die Phagen Resistenz von EcN gegenüber dem lysogenen Phagen Lambda und dem lytischen Phagen T4 untersucht. EcN zeigte eine vollständige Resistenz gegenüber den getesteten Phagen und konnte darüber hinaus die Phagen während der Co-Inkubation inaktivieren. Bei den Lambda-Phagen konnte die Resistenz auf das Vorhandensein eines Lambda-Prophagen (Prophage 3) im Genom von EcN zurückgeführt werden. Dies wurde durch das Ergebnis, dass die Überexpression eines der frühen Gene von EcNs Prophagen 3 (dem Phagen-Repressor pr) im Phagen sensitiven K-12 Stamm MG1655 zu einem partiellen Schutz gegenüber einer Lambda-Phagen Infektion führte, gestützt. Die Inaktivierung der Lambda-Phagen hingegen wurde durch die Bindung der Phagen an EcNs Rezeptor LamB vermittelt. Experimente mit lytischen T4-Phagen konnten aufzeigen, dass die K5-Polysaccharid Kapsel von EcN entscheidend für seine T4-Phagenresistenz ist, EcNs Lipopolysaccharid (LPS) wiederum die T4-Phagen inaktiviert. Abgesehen davon, dass EcN sich selbst vor Phagen Infektionen schützt, konnte gezeigt werden, dass EcN eine Phagen initiierte Lysogenie oder Lyse der getesteten K-12-Stämme verhindert. Zusammenfassend hebt diese Arbeit zwei neue positive Eigenschaften des probiotischen Stammes EcN hervor: i) die stammspezifische Reaktion, die sich aus der globalen Transkriptomanalyse von EcN während der Inkubation mit anderen E. coli-Stämmen ergab, und ii) die lytische und lysogene Phagenresistenz. Beide Merkmale sind zusätzliche Sicherheitsaspekte eines bereits gut charakterisierten probiotischen Stammes und unterstützen seine therapeutische Anwendung.

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Viral infections induce a significant impact on various functional categories of biological processes in the host. The understanding of this complex modification of the infected host immune system requires a global and detailed overview on the infection process. Therefore it is essential to apply a powerful approach which identifies the involved components conferring the capacity to recognize and respond to specific pathogens, which in general are defeated in so-called compatible virus-plant infections. Comparative and integrated systems biology of plant-virus interaction progression may open a novel framework for a systemic picture on the modulation of plant immunity during different infections and understanding pathogenesis mechanisms. In this thesis these approaches were applied to study plant-virus infections during two main viral pathogens of cassava: Cassava brown streak virus and African cassava mosaic virus. Here, the infection process was reconstructed by a combination of omics data-based analyses and metabolic network modelling, to understand the major metabolic pathways and elements underlying viral infection responses in different time series, as well as the flux activity distribution to gain more insights into the metabolic flow and mechanism of regulation; this resulted in simultaneous investigations on a broad spectrum of changes in several levels including the gene expression, primary metabolites, and enzymatic flux associated with the characteristic disease development process induced in Nicotiana benthamiana plants due to infection with CBSV or ACMV. Firstly, the transcriptome dynamics of the infected plant was analysed by using mRNA-sequencing, in order to investigate the differential expression profile according the symptom developmental stage. The spreading pattern and different levels of biological functions of these genes were analysed associated with the infection stage and virus entity. A next step was the Real-Time expression modification of selected key pathway genes followed by their linear regression model. Subsequently, the functional loss of regulatory genes which trigger R-mediated resistance was observed. Substantial differences were observed between infected mutants/transgenic lines and wild-types and characterized in detail. In addition, we detected a massive localized accumulation of ROS and quantified the scavenging genes expression in the infected wild-type plants relative to mock infected controls. Moreover, we found coordinated regulated metabolites in response to viral infection measured by using LC-MS/MS and HPLC-UV-MS. This includes the profile of the phytohormones, carbohydrates, amino acids, and phenolics at different time points of infection with the RNA and DNA viruses. This was influenced by differentially regulated enzymatic activities along the salicylate, jasmonate, and chorismate biosynthesis, glycolysis, tricarboxylic acid cycle, and pentose phosphate pathways, as well as photosynthesis, photorespiration, transporting, amino acid and fatty acid biosynthesis. We calculated the flux redistribution considering a gradient of modulation for enzymes along different infection stages, ranging from pre-symptoms towards infection stability. Collectively, our reverse-engineering study consisting of the generation of experimental data and modelling supports the general insight with comparative and integrated systems biology into a model plant-virus interaction system. We refine the cross talk between transcriptome modification, metabolites modulation and enzymatic flux redistribution during compatible infection progression. The results highlight the global alteration in a susceptible host, correlation between symptoms severity and the alteration level. In addition we identify the detailed corresponding general and specific responses to RNA and DNA viruses at different stages of infection. To sum up, all the findings in this study strengthen the necessity of considering the timing of treatment, which greatly affects plant defence against viral infection, and might result in more efficient or combined targeting of a wider range of plant pathogens. / Virale Infektionen haben einen signifikanten Einfluss auf verschiedene funktionelle Eigenschaften und biologische Prozesse im Wirt. Das Verständnis dieser komplexen Modifikation des infizierten Wirtsimmunsystems benötigt eine globale und detaillierte Einsicht in den Infektionsprozess. Diese erfordert einen leistungsfähigen Ansatz zur Identifizierung der beteiligten Komponenten, welche eine Pathogen-Erkennung und Antwort vermitteln bzw. eine kompatible Virus-Pflanze-Infektion voraussetzen. Die Anwendung der vergleichenden und integrierten Systembiologie zur Untersuchung dieser Pflanzen-Virus-Interaktionen im Infektionsverlauf kann eine neue Grundlage zum systematischen Verständnis der Modulation des Immunsystems der Pflanze und der Pathogen-Mechanismen während verschiedener Infektionen eröffnen. In dieser Arbeit wenden wir diese Ansätze an, um Pflanzen-Virus-Infektionen der zwei häufigsten viralen Pathogenen von Maniok zu untersuchen, den Cassava brown streak virus (CBSV) und den African cassava mosaic virus (ACMV). Dazu rekonstruieren wir den Infektionsprozess durch die Kombination von „omics“ basierten Datenanalysen und metabolischen Netzwerkmodellen um die wichtigen Elemente des viralen Infektionsprozesses zu verschieden Zeitpunkten aufzuklären. Metabolische Flussanalysen geben Einblick in metabolische Umsätze und deren Regulierung. Diese simultanen Untersuchungen erfassen ein breites Spektrum der Virus-vermittelten Veränderungen im Wirt über mehrere „omics“ Ebenen, einschließlich Geneexpression, Primärmetabolite und enzymatischer Aktivitäten, die mit dem charakteristischen Krankheitsentwicklungsprozess assoziiert sind, der in Nicotiana benthamiana Pflanzen aufgrund einer Infektion mit CBSV oder ACMV induziert wurde. Zuerst wurde die Dynamik des Transkriptoms infizierter Pflanzen mittels mRNA-Sequenzierung analysiert um das differentielle Expressionsprofil nach dem Symptomentwicklungsstadium zu untersuchen. Die Expressionsmuster und die biologischen Funktionen dieser Gene wurden im Hinblick auf die Infektionsstufe und den Virus Einheiten aufgelöst. Ein nächster Schritt war die Echtzeit-Expressionsmodifikation ausgewählter Schlüsselprozess-Gene, gefolgt von der Umsetzung im linearen Regressionsmodell. Anschließend wurde der funktionelle Verlust von regulatorischen Genen ermittelt, welche eine R-vermittelte Resistenz auslösen können. Es wurden erhebliche Unterschiede zwischen infizierten Mutanten / transgenen Linien und Wild-typen beobachtet und im Detail charakterisiert. Darüber hinaus entdeckten wir eine massive lokalisierte Akkumulation von reaktiven Sauerstoffspezies und quantifizierten die Expression von Abbauproteinen in den infizierten Wildtyp-Pflanzen relativ zu Mock-infizierten Kontrollen. Darüber hinaus fanden wir koordinierte regulierte Metaboliten als Reaktion auf eine virale Infektion, gemessen unter Verwendung von LC-MS / MS und HPLC-UV-MS Techniken. Dazu gehören die Analyse der Profile von Phytohormonen, Kohlenhydraten, Aminosäuren, und Phenolika zu verschiedenen Zeitpunkten der Infektion mit den RNA und DNA-Viren. Diese wurden beeinflusst durch die differentielle regulierten enzymatischen Aktivitäten entlang der Salicylat-, Jasmonat- und Chorismat-Biosynthese, der Glykolyse, Tricarbonsäure und Pentose-Phosphat-Umsetzung, der Photosynthese und Photorespiration, des Transportes und der Aminosäure sowie Fettsäure-Biosynthese. Wir berechneten die Umverteilung des metabolischen Flusses unter Berücksichtigung einer ansteigenden Beeinflussung von Enzymen in den verschiedeneren Infektionsstadien, die von Prä-Symptomen zur Infektionsstabilität reichen. Zusammengefasst beinhaltet unsere Reverse-Engineering-Studie die Generierung von experimentellen Daten und deren Modellierung mittels vergleichender und integrierter Systembiologie zum Einblick in das Modell-Pflanzen-Virus-Interaktionssystem. Wir lösten die Interaktion zwischen Transkriptom-Modifikation, Metabolitenmodulation und die Umverteilung des metabolischen Flusses während des kompatiblen Infektionsprozesses auf. Das Ergebnis zeigt die globalen Veränderungen in einem anfälligen Wirt auf, sowie die Korrelation zwischen Symptomschwere und der Stärke dieser Veränderungen. Darüber hinaus identifizieren wir im Detail die entsprechenden allgemeinen und spezifischen Reaktionen auf RNA und DNA-Viren in den verschiedenen Stadien der Infektion. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Erkenntnisse aus dieser Studie die Notwendigkeit aufzeigen, den zeitlichen Ablauf bei einer Pflanzenschutzbehandlung zu berücksichtigen, welche die pflanzliche Abwehr gegen eine Virusinfektion stark beeinflusst; und insgesamt zu einer effizienteren oder kombinierten Anwendung gegen ein breiteres Spektrum von Pflanzenpathogenen führen könnte.

Merkel cell carcinoma (MCC) is a rare and aggressive skin cancer with an increasing incidence. The majority of MCC cases (approximately 80%) are associated with the Merkel cell polyomavirus (MCPyV). This virus encodes for the MCPyV T antigens (small T (sT) and large T (LT)), which are oncoproteins that drive MCC carcinogenesis. However, the precise cells of the skin that are transformed by the T antigens are not known i.e., the cells of origin of MCC are yet to be discovered. Therefore, the first part of this study involved the generation and evaluation of a vector system that could be used to study MCC oncogenesis. To this end, a set of lentiviral vectors was cloned that allows independent, inducible expression of potential key factors in MCC oncogenesis. In addition, a CRISPR/Cas9 knock in was established that allows the coding sequence for a fluorescent protein to be placed under the control of the promoter of KRT20, one of the most crucial markers of MCC. The functionality of this KRT20 reporter was proven in the MCPyV-positive MCC cell line, WaGa. The different inducible vector systems (doxycycline-inducible MCPyV T antigens or MCPyV sT, RheoSwitch-inducible ATOH1 and IPTG-inducible dnMAML1 and GLI1) were found to have different efficacies in various cellular systems and in particular, a considerable reduction in efficiency was observed at times upon the interaction of several vectors in one cell. In the second and more important part of this study, the role of the well-established anti-malarial drug, artesunate, which possesses additional anti-tumor and anti-viral activity, in the treatment of MCPyV-positive MCC was analyzed. In our study, artesunate was found to be cytotoxic towards MCPyV-positive MCC cell lines in vitro and repressed tumor growth in vivo in a mouse model. Artesunate was also found to downregulate T antigen expression, which is critical for the proliferation of MCPyV-positive MCC cells. The repression of T antigen expression, however, was not the sole mechanism of artesunate’s cytotoxic action; instead, the MCPyV-positive MCC cell line, WaGa, was found to be even less sensitive to artesunate after shRNA knockdown of the T antigens. Since loss of membrane integrity occurred more rapidly than degradation/loss of genomic DNA under the influence of artesunate in four of five MCPyV-positive MCC cell lines examined, apoptosis, although widely described as a modus operandi for artesunate, did not appear to be a determinant of the cytotoxicity of artesunate against MCPyV-positive MCC cells. Instead, we were able to demonstrate that artesunate induced the recently described iron-dependent and lipid peroxide-associated form of cell death known as "ferroptosis". This was achieved primarily through the use of inhibitors that can suppress specific individual steps of the ferroptotic process. Thus, artesunate-induced cell death of MCPyV-positive MCC cells could be suppressed by iron chelators and by the inhibition of lipid peroxidation and lysosomal transport. Surprising results were obtained from the analysis of two proteins associated with the ferroptotic process, namely, ferroptosis suppressor protein 1 (FSP1) and tumor suppressor protein p53. Here, we showed that ectopically- 2 expressed FSP1 cannot suppress artesunate-induced ferroptosis in MCPyV-positive MCC cells and that p53 does not play a pro-ferroptotic role in artesunate-induced cell death of MCPyV-positive MCCs. Since artesunate did not suppress the interferon-γ-induced expression of immune-related molecules such as HLA and PD-L1 on the surface of MCPyV-positive MCCs, our study also provided the first positive evidence for its use in combinatorial immunotherapy. Overall, this study showed that artesunate appears to be an effective drug for the treatment of MCPyV-positive MCC and might also be considered for its use in combinatorial MCC immunotherapy in the future. / Das Merkelzellkarzinom (MCC) ist ein seltener und aggressiver Hautkrebs mit einer steigenden Inzidenz. Die Mehrzahl der MCC-Fälle (ca. 80%) sind mit dem Merkelzell-Polyomavirus (MCPyV) assoziiert. Dieses Virus kodiert für die MCPyV T Antigene (small T (sT) und Large T (LT)), die als Onkoproteine die MCC Karzinogenese vorantreiben. Unbekannt ist jedoch welche Zellen der Haut durch die T Antigene transformiert werden, was also die Ursprungszellen des MCC sind. Der erste Teil dieser Arbeit befasste sich daher mit der Generierung und Evaluierung eines Vektorsystems, das zur Untersuchung der MCC-Onkogenese genutzt werden könnte. Dazu wurde ein Set von lentiviralen Vektoren kloniert, das die voneinander unabhängige, induzierbare Expression von potentiellen Schlüsselfaktoren der MCC-Onkogenese erlaubt. Außerdem wurde ein CRISPR/Cas9 knock in etabliert, der es erlaubt die kodierende Sequenz für ein fluoreszierendes Protein unter die Kontrolle des Promoters von KRT20, dessen Expression eines der wichtigsten MCC Marker ist, zu bringen. Die Funktionalität dieses KRT20 Reporters konnte in einer MCPyV-positive MCC Linie, WaGa, nachgewiesen werden. Die verschiedenen induzierbaren Vektorsysteme (Doxycyclin-induzierbare MCPyV T Antigene bzw. MCPyV sT, RheoSwitch-induzierbare ATOH1, IPTG-induzierbares dnMAML1 und GLI1) zeigten sich unterschiedlich effektiv in unterschiedlichen Zellsystemen und insbesondere im Zusammenspiel mehrerer Vektoren in einer Zelle war die Induzierbarkeit teilweise erheblich reduziert. Im zweiten, und wichtigeren Teil dieser Arbeit, habe ich mich mit der Frage auseinandergesetzt, ob ein etabliertes Anti-Malaria-Medikament, dem zusätzlich anti-tumorale und anti-virale Aktivität zugeschrieben werden, sich für die Behandlung des MCPyV-positiven MCC anbieten könnte. In unserer Studie wurde festgestellt, dass Artesunat in vitro zytotoxisch auf MCPyV-positive MCC Zelllinien wirkt und in vivo im Mausmodell das Tumorwachstum verlangsamen kann. Es wurde zudem beobachtet, dass Artesunat die T Antigen Expression unterdrückt, das für die Proliferation von MCPyV-positiven MCC-Zellen entscheidend ist. Allerdings spielt die Repression der T Antigen Expression keine Rolle für den zytotoxischen Effekt von Artesunat, sondern es zeigte sich, dass die MCC-Zelllinie WaGa nach shRNA knockdown der T Antigene sogar weniger sensitiv gegenüber Artesunat war. Da unter dem Einfluss von Artesunat in vier von fünf untersuchten MCC Zelllinien der Verlust der Membranintegrität schneller eintrat als eine Degradation/Verlust der genomischen DNA scheint Apoptose, obwohl vielfach als Modus Operandi für Artesunat beschrieben, nicht bestimmend für die Zytotoxität von Artesunat gegenüber MCPyV-positiven MCC Zellen zu sein. Stattdessen konnten wir die kürzlich beschriebene eisenabhängige und Lipidperoxid-assoziierte Form des Zelltods, die sogenannte "Ferroptose", nachweisen. Dies gelang vor allem durch den Einsatz von Inhibitoren, die spezifische Einzelschritte des ferroptotischen Prozesses unterdrücken können. So ließ sich der durch Artesunat induzierte Zelltod von MCPyV-positiven Zellen durch Eisenchelatbildner und Inhibition der Lipidperoxidation und des lysosomalen Transports unterdrücken. Überraschende Ergebnisse lieferte die Analyze von zwei Proteinen, die mit dem ferroptotischen Prozess in Verbindung gebracht werden, nämlich dem Ferroptose-Suppressor-Protein 1 (FSP1) und dem Tumorsuppressor-Protein p53. Hier zeigte sich, dass ektopisch-exprimiertes FSP1 die Artesunat-induzierte Ferroptose in MCC Zellen nicht unterdrücken kann und dass p53 keine pro-ferroptotische Rolle beim Artesunat-induzierten Zelltod von MCPyV-positiven MCCs spielt. Da Artesunat die Interferon-γ induzierte Expression von immunrelevanten Molekülen wie HLA und PD-L1 auf der Oberfläche von MCPyV-positiven MCCs nicht unterdrückte, ergaben sich auch erste positive Hinweise auf seinen Einsatz in der kombinatorischen Immuntherapie. Insgesamt zeigte diese Studie, dass Artesunat ein wirksames Medikament für die Behandlung von MCPyV-positivem MCC zu sein scheint und in Zukunft auch für den Einsatz in der kombinatorischen MCC-Immuntherapie in Frage kommen könnte.

Protein regulator of cytokinesis 1 (PRC1) is a microtubule-associated protein with essential roles in mitosis and cytokinesis. Furthermore, the protein is highly expressed in several cancer types which is correlated with aneuploidy and worse patient outcome. In this study it was investigated, whether PRC1 is a potential target for lung cancer as well as its possible nuclear role. Elevated PRC1 expression was cell cycle-dependent with increasing levels from S-phase to G2/M-phase of the cell cycle. Thereby, PRC1 localized at the nucleus during interphase and at the central spindle and midbody during mitosis and cytokinesis. Genome-wide expression profiling by RNA sequencing of ectopically expressed PRC1 resulted in activation of the p53 pathway. A mutant version of PRC1, that is unable to enter the nucleus, induced the same gene sets as wildtype PRC1, suggesting that PRC1 has no nuclear-specific functions in lung cancer cells. Finally, PRC1 overexpression leads to proliferation defects, multi-nucleation, and enlargement of cells which was directly linked to microtubule-bundling within the cytoplasm. For analysis of the requirement of PRC1 in lung cancer, different inducible cell lines were generated to deplete the protein by RNA interference (RNAi) in vitro. PRC1 depletion caused proliferation defects and cytokinesis failures with increased numbers of bi- and multi-nucleated cells compared to non-induced lung cancer cells. Importantly, effects in control cells were less severe as in lung cancer cells. Finally, p53 wildtype lung cancer cells became senescent, whereas p53 mutant cells became apoptotic upon PRC1 depletion. PRC1 is also required for tumorigenesis in vivo, which was shown by using a mouse model for non-small cell lung cancer driven by oncogenic K-RAS and loss of p53. Here, lung tumor area, tumor number, and high-grade tumors were significantly reduced in PRC1 depleted conditions by RNAi. In this study, it is shown that PRC1 serves as a microtubule-bundling protein with essential roles in mitosis and cytokinesis. Expression of the protein needs to be tightly regulated to allow unperturbed proliferation of lung cancer cells. It is suggested that besides phosphorylation of PRC1, the nuclear localization might be a protective mechanism for the cells to prevent perinuclear microtubule-bundling. In conclusion, PRC1 could be a potential target of lung cancer as mono therapy or in combination with a chemotherapeutic agent, like cisplatin, which enhanced the negative effects on proliferation of lung cancer cells in vitro. / Protein-Regulator der Zytokinese 1 (PRC1) ist ein Mikrotubuli-assoziierendes Protein mit wesentlicher Funktion bei der Mitose und Zytokinese. Die Expression des Proteins ist in verschiedenen Krebsarten stark erhöht, was mit Aneuploidie und schlechterer Lebenserwartung der Patienten korreliert. In dieser Untersuchung wurde erforscht, ob PRC1 ein potenzielles therapeutisches Target für die Behandlung von Lungenkrebs darstellt, sowie seine mögliche Zellkern-Funktion untersucht. Die gesteigerte PRC1-Expression war Zellzyklus-abhängig, mit ansteigendem Expressionslevel von der S-Phase bis zur G2/M-Phase des Zellzyklus. Hierbei ist PRC1 während der Interphase im Zellkern lokalisiert und während der Mitose und Zytokinese an der zentralen Spindel und dem Mittelkörper lokalisiert. Genomweite Expressionsanalysen durch RNA-Sequenzierung nach ektopischer PRC1-Expression resultierte in einer Aktivierung des p53-Signalweges. Eine mutierte Version von PRC1, die nicht imstande ist in den Zellkern zu gelangen, hat dieselbe Gen-Zusammenstellung wie das Wildtyp-PRC1 induziert. Dies deutet auf keine Kern-spezifische Funktion von PRC1 im Lungenkrebs hin. Schlussendlich führt die Überexpression von PRC1 zu Proliferationsdefekten, mehreren Zellkernen und Vergrößerung der Zellen, was im direkten Zusammenhang mit der Mikrotubuli-Bündelung im Zytoplasma steht. Zur Analyse des Bedarfs von PRC1 im Lungenkrebs wurden verschiedene induzierbare Zelllinien hergestellt, um die Expression des Proteins durch RNA-Interferenz (RNAi) im Zellkultursystem vermindern zu können. Die PRC1-Depletion durch RNAi führte bei Lungenkrebszellen zu Proliferationsdefekten und Zytokinese-Fehlern. Im Vergleich zu nicht-induzierten Lungenkrebszellen zeigte sich ein Anstieg von multinuklearen Zellen. Wichtig war hier, dass Effekte in Kontrollzellen weniger stark waren als in Lungenkrebszellen. Außerdem hat sich gezeigt, dass nach PRC1-Depletion, p53-Wildtyp Lungenkrebszellen seneszent und p53-mutierte Zellen apoptotisch wurden. PRC1 wird auch für die Tumorentstehung in vivo bei einem Mausmodell von nichtkleinzelligem Lungenkrebs, das durch Onkogenes K-RAS und Verlust von p53 getrieben ist, benötigt. Hierbei zeigte sich eine signifikante Reduzierung der Lungentumorfläche, Anzahl der Tumore und hochgradige Tumore durch Depletion von PRC1 durch RNAi. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass PRC1 eine wichtige Funktion als Mikrotubuli-bündelndes Protein in der Mitose und Zytokinese hat. Die Expression des Proteins muss genau kontrolliert werden, um eine ungestörte Proliferation von Lungekrebszellen aufrecht zu erhalten. Es wird vorgeschlagen, dass neben der Phosphorylierung von PRC1, die Kern-Lokalisation ein Schutzmechanismus der Zellen vor perinukleärer Mikrotubuli-Bündelung darstellt. Schlussendlich könnte PRC1 ein potentielles therapeutisches Target für Lungenkrebs sein, sowohl als Monotherapie oder auch in Kombination mit chemotherapeutischen Wirkstoffen, wie beispielsweise Cisplatin, was einen zusätzlichen negativen Effekt auf das Zellwachstum im Zellkultur System zeigte.